第1章 直流电机的基本原理

河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理1.1直流电机的工作原理1.2直流电机的结构和额定值1.3直流电机的电枢绕组1.4直流电机的磁场、电动势及转矩1.5直流电机的换向第1章直流电机的基本原理1.1直流电机的工作原理1.2直流电机的结构和额定值1.3直流电机的电枢绕组1.4直流电机的磁场、电动势及转矩1.5直流电机的换向第1章直流电机的基本原理产生旋转磁极半环形金属环支柱直流电机模型第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院转向电流方向换向片

线圈磁极直流电机模型河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理直流电机模型河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理NS－U＋

1.1直流电机的工作原理

1.1.1直流电动机的工作原理

1.基本原理NS＋U－河南科技学院机电学院dabcdabc线圈边切割磁力线会产生什么？第1章直流电机的基本原理NSNS＋U－＋U－电刷换向片2.转子（电枢）内部导体的电流方向图1.2导体ab内电流随时间变化的规律

河南科技学院机电学院ddabcabc第1章直流电机的基本原理

1.1直流电机的工作原理

1.1.1直流电动机的工作原理

1.基本原理直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)机械负载克服反电动势做功电磁关系换向Φ旋转河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理NS1.1.2直流发电机工作原理1.基本原理NS－E＋－E＋输出直流电原动机感应交流电动势、电流电磁转矩（阻转矩）做功电磁关系Φ换向2.转子（电枢）内部导体的电动势方向ddabcabc图1.4导体ab内电动势随时间变化的规律

河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理1.1.3直流电机的可逆原理及特点1.可逆原理能作电动机运行，又能作发电机运行的原理。2.直流电机工作时的特点

(1)一个磁极下所有导体的电流方向必须一致。

(2)相邻两磁极下所有导体的电流方向必须相反。

(3)直流电机内部流的是交流电。

(4)电刷与换向器起整流作用。河南科技学院机电学院

第1章直流电机的基本原理大连理工大学电气工程系1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇

8—电枢绕组9—电枢铁心

1.2直流电机的结构和额定值

1.2.1

直流电机的结构河南科技学院机电学院图1.5直流电机的装配结构图

图1.6直流电机的纵向剖视图第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理直流电机的结构

图1.7直流电机的定子

(b)主磁极(a)机座1.2.1直流电机的结构河南科技学院机电学院1.定子

电机的外壳称为机座。

(1)机座：作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，支撑整个电机，起固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路。(2)主磁极：主磁极的作用是产生气隙磁场（主磁场、定子磁场、励磁磁场、空载磁场）。第1章直流电机的基本原理直流电机的定子河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理图1.8换向极河南科技学院机电学院1—换向极铁心2—换向极绕组图1.9电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—刷辫1.2.1直流电机的结构(3)换向极

作用是改善换向。(4)电刷装置

直流电动机时，电刷装置的作用是把外供的直流电压引入到换向器上；直流发电机时，电刷装置的作用是把换向器上的交流电压向外转换成直流电压。第1章直流电机的基本原理直流发电机河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理ZQ-76直流牵引电机河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理1.2.2直流电机的基本结构图1.10直流电机的转子结构图

(a)转子铁心

(b)转子1—槽楔2—线圈绝缘3—电枢导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘图1.11电枢槽的结构河南科技学院机电学院(2)电枢绕组：电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势。电枢：电机进行能量变换的关键部件。第1章直流电机的基本原理2.转子（电枢）(1)电枢铁心：主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。直流电机的转子运转的直流电机带电光铜头河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理图1.12换向器结构

河南科技学院机电学院1.2.1直流电机的结构(3)换向器

直流电动机时，换向器的作用是把电刷装置引入的直流电压转成交流电压输给转子导体；直流发电机时，换向器的作用是把转子内产生的交流电动势通过电刷装置向外转换成直流电动势。(4)转轴与风扇

转轴：起转子旋转的支撑作用。风扇：自冷。1—换向片2—连接部分第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院1.2.1直流电机的结构第1章直流电机的基本原理换向器实物图片直流电机1.2.1直流电机的结构河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理直流电容电机1.2.1直流电机的结构河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理直流电机1.2.1直流电机的结构河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理电机装配图1.2.1直流电机的结构河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理1.2直流电机的基本结构和额定值1.2.2直流电机的额定值

额定值：在正常的、安全的条件下，电气设备所允许的最大工作参数。1.2.3直流电机的励磁方式1.直流电动机按励磁方式分类

河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理+Ua－+Uf－他励并励串励复励MIfIaM+U－IIfIaM+U－IIaMIaIf+U－I2.直流发电机按励磁方式分类河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理1.2直流电机的基本结构自励他励串励复励并励GIf+Uf－Ia+Ua－GIa+U－IfIG+U－IfIIaGIfIa+U－I河南科技学院机电学院

1.3直流电机的电枢绕组

基本形式分为单叠绕组[见图1.14（a）]、单波绕组[见图1.14(b)]。派生形式分复叠绕组、复波绕组、蛙绕（混绕）。绕组图有三种形式分别为绕组连接图、绕组展开图、绕组电路图。1.3.1电枢绕组元件与节距1.电枢绕组元件

图1.14（a）单叠绕组元件图1.14(b)单波绕组元件虚槽（a）µ=1(b)µ=2(c)µ=3图1.15实槽与虚槽的关系第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院图1.16极距与电角度2.极距

相邻两个磁极轴线之间的距离。

3.电角度

磁场电角度是电磁场在空间变化一周规定为2π的描述。4.节距

表征电枢绕组元件本身和元件之间连接规律的数据。第一节距y1、第二节距y2、合成节距y和换向器节距yk。第一节距：同一元件的两个元件边在电枢圆周上所跨的距离。

图1.17电枢绕组的节距第1章直流电机的基本原理转子槽展开图可在转子布多极对数绕组河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院1.3.2单叠绕组后一元件的端接部分紧叠在前一元件的端接部分上，这种绕组称为叠绕组。有一台直流电机，Z=S=K=16，2p＝4，现要接成单叠绕组。则1.单叠绕组的特点

(1)元件两端所接换向片之间的距离（K为换向片数目）,yk=±1;

(2)所有元件连接成一个闭合回路;

(3)一个极下所有上层边元件组成一条支路;

(4)支路对数a=P（极对数）;

(5)电刷对数b=P;

(6)电刷位置：电刷所接换向片所接元件的边应处于相邻两磁极中间。2.单叠绕组连接图绕组连接图的作用是方便于实际嵌线。图1.184极16槽单叠绕组连接顺序图第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院3.单叠绕组展开图绕组展开图的作用是方便于电机电磁工作原理的分析。电枢从某一齿的中间沿轴向切开展成平面，所得绕组连接图称为绕组展开图。

N1S1N2S2nA1B1A2B2

并联支路对数：a=2。

电刷的中心线对着磁极的中心线。第1章直流电机的基本原理N1河南科技学院机电学院图1.19单叠绕组展开图(Z=S=K=16，2p＝4)

第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院4.单叠绕组电路图绕组电路图的作用是方便于电路分析。

A1A2B1B28

7

610

11

1216

15

142

3

459131第1章直流电机的基本原理图1.234极16槽单叠绕组瞬间电路图河南科技学院机电学院1.3.3单波绕组元件首、末端之间的距离接近两个极距，两个元件串联起来形成的形状像波浪一样。1.单波绕组的特点

(1)元件两端所接换向片之间的距离（K为换向片数目）;

(2)所有元件连接成一个闭合回路;

(3)同一极性下所有上层边元件组成一条支路;

(4)支路对数a=1;。

(5)电刷对数b=P;

(6)电刷位置：电刷所接换向片所接元件的边应处于相邻两磁极中间。第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院

1.4直流电机的磁场、电动势及转矩1.4.1直流电机的磁场1.直流电机的空载磁场空载运行就是直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态。空载磁场是指主磁极单独产生的磁场,也称为主磁场。

(1)直流电机的磁路；

(2)直流电机的空载磁化特性；。图1.24直流电机空载磁场分布图

图1.25直流电机铁心空载磁化曲线第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院1.4直流电机的磁场、电动势、转矩1.4.1直流电机的磁场1.直流电机的空载磁场(3)空载磁场气隙磁密分布曲线：平顶波。(4)几何中线：相邻两磁极中间的中分线。(5)物理中性线（面）：磁场为零的位置（线或面）。

图1.26空载气隙磁密分布曲线

励磁磁场（空载磁场）第1章直流电机的基本原理几何中线NS物理中线河南科技学院机电学院1.4直流电机的磁场、电动势、转矩1.4.1直流电机的磁场

图1.28一个元件产生的磁势，在气隙中的分布波形2.直流电机负载磁场及电枢反应

(1)直流电机的负载磁场（电枢磁场）一个元件产生的磁场在空间的分布为矩形波或方波。矩波或方波内含有大量的谐波磁场，严重的影响其它设备的工作；采用绕组分布形式可以降低或消除影响。直流电机的电枢磁动势在空间的分布是一个三角波。图1.29直流电机电枢磁势的分布第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院1.4直流电机的磁场、电动势、转矩1.4.1直流电机的磁场(2)直流电机的电枢反应电枢反应：电枢磁势对气隙磁密分布的影响。直流电机为双边励磁的电机。(3)电枢反应的分析

图1.30直流电机电枢反应的磁密分布NS物理中性线合成磁场（负载时的磁场）(4)电枢反应的结果①使气隙磁场发生畸变。②气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。③磁路饱和时，有去磁作用。第1章直流电机的基本原理NS直流电机的空载磁场，与电枢反应合成磁场对比。几何中线NS励磁磁场（空载磁场）物理中性线电枢磁场合成磁场（负载时的磁场）物理中性线河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理e→∑e→E1.4.2直流电机电枢绕组的感应电动势电枢旋转n磁场ΦBlR1.

一根导体产生的平均电动势

(1)气隙磁密的平均值

(2)电枢导体切割气隙磁密的线速度V

(3)一根导体感应电动势的平均值2.电枢绕组总的导体数

则一条并联支路的串联导体数为3.直流电机感应电动势(一条并联支路的电动势)Bap=ΦlV=n2R60=n2p60eap=BaplV=lΦ

ln2p60N=2SNy

N

2aEa=eapN2a=Φn=CeΦn

pN60a河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理Ea

=CeΦn单位：Wb单位：r/min(V)河南科技学院机电学院4.电动势常数Ce5.方向：由Φ和n共同决定。6.性质

发电机为电源电动势；电动机为反电动势。7.感应电动势的物理意义表征机械大小的转速n在磁场能力大小为Φ的转化下，通过电机结构大小为Ce的载体，转换成电的大小为电动势Ea。第1章直流电机的基本原理Ce=

pN60a1.4.3直流电机的电磁转矩BlR电枢电流i磁场ΦF→T1.一根导体所受平均电磁力的大小为fap=Baplia

而ia=

Ia

2a则fap=Bapl

Ia

2a2.一根导体产生的平均电磁转矩Tap=fap

D

2=Bapl

Ia

2a

D

23.电枢绕组的电磁转矩T=NTap=NBapl

Ia

2a

D

2=

NΦ

llIa

2a

1

22p=ΦIa=CTΦIa

pN2a河南科技学院机电学院第1章直流电机的基本原理T=CTΦIa1.4.3直流电机的电磁转矩和电动势单位：Wb单位：A(N·m)河南科技学院机电学院4.转矩常数CTCT=pN2a5.方向:由Φ和Ia

共同决定。6.性质发电机：T与n方向相反，为制动转矩。电动机：T与n方向相同，为拖动转矩。决定电磁转矩大小的因素是负载。Ia＞IN

（电机的额定电流）时为过载；规定短时过载的最大电枢电流Iamax=(1.5～2)IN

。7.转矩的物理意义表征电大小的电流Ia，在磁场能力大小为Φ的转化下，通过电机结构大小为CT的载体，转换成机械大小的为电磁转矩T。8.CT与Ce的关系CT

=pN2aCe

=pN60aCTCe=602=9.55则CT

=

9.55Ce第1章直流电机的基本原理河南科技学院机电学院1.5直流电机的换向1.5.1换向的过程换向:元件从一条支路经过固定不动的电刷短路，进入另一条支路，电流方向的改变过程。1.换向瞬时2.换向过程3.换向结束瞬时